CN102352884B - 一种非冷加工联接用钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非冷加工联接用钢，同时具备螺距小、螺纹升角小且牙高高的特点，与紧固构件配套使用可与端部方便可靠地锚固，解决了现有钢筋端部难联接、难锚固的问题。既继承了热轧产品韧性好、强度高和生产效率高的优点，避免了二次冷加工产品性能下降、容易脆断、螺纹段长度短和加工成本高的缺点，同时又具备了与紧固构件配合紧密、产品自锁性能好的优点，使用中能有效避免资源浪费，节约用钢量。

Description

一种非冷加工联接用钢

技术领域

本发明涉及岩土锚固及建筑工程技术，具体涉及一种非冷加工联接用钢。

背景技术

在社会基础建设中，如公路、铁路、桥梁、隧道、矿井、坝体等建设项目都离不开钢材，其中各类棒材钢是这些基础建设中不可缺少的。以矿井工程为例，矿井巷道位于一定的地质环境中，地下岩体在漫长复杂的地质运动中形成各种结构面，易于开裂，尤其在工程开挖的中后期，由于工作面附近的载荷变化引起应力场重新分布，岩体中的结构面或薄弱部位受应力发生移动，由较小蠕变演变为岩体的宏观断裂，导致工程事故。为了防止此类事故的发生，工程中常利用各类棒材钢对矿井巷道围岩施以锚固，即将棒材钢一端打入岩体内部并与岩体固结，末端外露并以紧固构件固定，通过棒材钢的轴向作用力，将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向(或双向)受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度，对岩体提供主动的支撑和约束作用，防止岩体坍塌。

常用的棒材钢主要为各类螺纹钢，但螺纹钢难以直接与紧固构件配合，因此需要对杆体末端二次冷加工，形成尾部螺纹，方可与紧固构件配合实现紧固。常采用的加工方法有两种，一种是机床车削法、另一种是延压滚丝法。车削法会导致车削部位截面积减小，承载力降低，螺纹钢整体性能下降；延压法也会造成尾部螺纹截面积减小，承载力下降，还易造成钢材应力集中，延伸率差，当动载荷较大时尾部常发生脆断。无论采用哪种冷加工手段，都会使螺纹钢的整体性能在尾部螺纹处形成瓶颈，并且其尾部螺纹段的长度是有限的(一般为100mm)，在围岩发生片帮致使尾部外露长度过长时，即使将紧固螺母拧到底也无法与岩面接触，导致锚固失效。此外，当需要多根钢筋联接使用时，由于螺纹钢的首尾螺距不同，难以通过螺纹连接实现联接使用。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种非冷加工联接用钢，其由钢坯直接轧制成型，可直接与紧固构件配合，且配合紧密；螺距小，自锁性能可靠；全长等强，不易脆断，可联接使用。

本发明的非冷加工联接用钢由钢坯直接轧制成型，杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，且螺距为4±2mm，螺纹升角不大于6°，螺纹的牙高介于1.0mm到1.7mm之间。

有益效果：

1、本发明的非冷加工联接用钢通条杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，可与螺母等紧固构件在任意位置直接配合。

2、螺纹螺距小，螺纹升角小，牙高高。螺距缩小到了4±2mm，与标准紧固件螺距保持一致，其精细程度不亚于机械冷加工的产品，与螺母配合紧密，不易松动；在螺距小的前提下，将螺纹升角缩小到了不大于6°，小于螺纹连接的自锁角8.5°，自锁性能稳固可靠。

3、本发明的非冷加工联接用钢由钢坯直接轧制而成，金属纤维连续，内部组织均匀，避免了冷加工造成的应力集中和金属纤维断裂现象，较冷加工产品强度更高，韧性更好。

4、本发明的非冷加工联接用钢不经冷加工，全长性能一致，无性能瓶颈段，实现了钢材性能的最大利用化。

5、本发明的非冷加工联接用钢可通过螺纹联接加长使用，避免了其他联接方法(如焊接)造成的资源浪费和性能下降。

附图说明

图1为本发明非冷加工联接用钢的立体图。

图2为本发明非冷加工联接用钢的螺纹结构示意图。

图3为本发明非冷加工联接用钢的横断面示意图。

图4为本发明非冷加工联接用钢的纵断面示意图。

图5为成品轧机的结构示意图。

图6为成品轧机的轧辊的结构示意图。

图7为调齿器的左盘的结构示意图。

图8为调齿器的右盘的结构示意图。

图9为分配箱内的间隙补偿器结构示意图。

图10为万向轴上的间隙补偿器结构示意图。

图11为成品前轧机轧制出的扁式钢的横截面示意图。

其中，D1-螺纹底径(公称直径)，D2-螺纹中径，L-螺距，H-螺纹的牙高，β-牙型角，1-直流电机，2-联轴器，3-减速机，4-联轴器，5-分配箱，6-间隙补偿器，7-万向轴，8-轧辊，9-调齿器。

具体实施例

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的非冷加工联接用钢通条杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，杆体的任何位置均可旋以配套螺母，无二次冷加工。

如图2示出了本发明非冷加工联接用钢的螺纹结构，其中L为螺距，L＝4±2mm；优选的，螺距L为3mm、4mm、5mm、6mm。

如图3示出了本发明非冷加工联接用钢的横断面，其中H为螺纹的牙高，1.0mm≤H≤1.7mm；优选的，牙高H为1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.5mm。

如图4示出了本发明非冷加工联接用钢的纵断面，螺纹的牙型为梯形，β为牙型角，是梯形两侧面延长线的夹角；优选的，牙型角β为60°。

本发明除考虑了螺纹的螺距L和牙高H之外，还考虑了螺纹升角γ。螺纹升角γ是指在中径圆柱或中径圆锥上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角，计算公式为：γ＝arc tan(L/πD₂)，其中D₂为螺纹中径。当取螺距L＝4mm，牙高H＝1.4mm时，杆体公称直径D1与螺纹升角γ的数值为：

公称直径D1(mm)	16	18	20	22
					螺纹升角γ(°)	4.18	3.76	3.41	3.12

以公称直径D1＝20mm，螺距L＝4mm，牙高H＝1.4mm，螺纹升角γ＝3.41°，牙型角β＝60°的本发明产品为例，实测产品米重2.64kg/m。若采用普通螺纹钢尾部车削螺纹工艺实现同等效果，则车削后尾部螺纹底径D1不小于20mm，查相关资料可知对应的螺纹为M22×1.5的细牙螺纹，即车削所用螺纹钢的底径D1最小为22mm，在螺纹钢椭圆度及横肋重量不计的理想前提下，螺纹钢米重为2.98kg/m。比较可知，每使用1m本发明非冷加工联接用钢，可节约钢材0.34kg，即较现有螺纹钢可节约钢材11.4％，如考虑实际情况，这一比例还将扩大。

使用时，将本发明的非冷加工联接用钢的一端打入围岩内部，与围岩固结为一体，依围岩条件在杆体外露部分加装紧固部件(如锚盘和螺母等)紧固即可。本产品可靠的螺纹自锁性能避免了紧固螺母脱落，提高了安全性。由于杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，当围岩发生片帮脱落，锚固失效时，紧固部件可连续跟进，重新紧固，无需二次锚固，极大地节约了钢材，降低了工程成本。

本发明的非冷加工联接用钢由钢坯直接轧制成型，同时具备螺距小、螺纹升角小且牙高高的特点，打破了行业内多项常规技术指标，既继承了热轧产品韧性好、强度高和生产效率高的优点，避免了二次冷加工产品性能下降、容易脆断、螺纹段长度短和加工成本高的缺点，同时又具备了与紧固构件配合紧密、产品自锁性能好的优点，是本领域长期以来期望的更新换代产品。本发明产品不会出现其他冷加工产品的性能瓶颈现象，有效地避免了资源浪费，节约了钢材；无二次加工，能源消耗低，这都契合了国家“节能降耗”、“低碳生活”的科学发展指导思想。

制造工艺：

本发明的非冷加工联接用钢的生产设备包括成品轧机K1和成品前轧机K2，成品前轧机K2的轧辊具有异形孔型，其轧制出的轧件为扁式钢，成品轧机K1的轧辊孔型为横肋轧槽同一螺旋面上形成螺旋线的孔型，成品轧机K1上装有调齿器和间隙补偿器，保证成品螺纹钢的杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，且螺距为4±2mm，螺纹升角不大于6°，螺纹的牙高介于1.0mm到1.7mm之间。

图5示出了成品轧机K1的结构，其包括直流电机，减速机、分配箱、万向轴、调齿器、间隙补偿器和两个轧辊。其中，直流电机、减速机和分配箱通过联轴器连接，分配箱通过万向轴与轧辊连接，在万向轴上装有一个调齿器，在分配箱内和万向轴上各装有一个间隙补偿器。

图6示出了成品轧机K1的轧辊，其轧槽为螺纹轧槽，在轧槽凹入部的表面均匀布有横向阴螺纹。为使成品轧机K1的轧辊孔型为连续的螺纹孔型，从而使螺纹钢杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，在成品轧机K1中设置了调齿器和间隙补偿器，二者用于控制轧辊的相对位置。

关于调齿器，其用于调整其中一个轧辊的位置，以控制两个轧辊的相对位置。调齿器包括左、右两盘，如图7和图8所示，两盘具有相对应的凸出部分，凸出部分为不足半圆的弓形，凸出部分之间具有间隙，两盘由中间轴组成转动副，左盘的凸出部分具有调整柱销，位于预先设置的通孔内，右盘的右半部分对应位置具有凹槽，调整柱销抵靠于右盘的凹槽，左盘与分配箱中的齿轮输出轴固定连接，右盘与上轧辊的万向轴固定连接。

调齿器的作用是通过调整左、右两盘的相对位置实现对万向轴的微调，进而实现对轧辊的微调，具体方法为：调节左盘上的调整柱销，右盘相对于左盘旋转，经由万向轴带动与其连接的上轧辊产生旋转，则上轧辊螺纹轧槽的横向阴螺纹相应地微量位移，此时下轧辊静止，于是上、下轧辊的横向阴螺纹相对位置得以调整，多次调整直至形成连续的螺纹孔型。较佳地，调整柱销的调整范围为0-L。

关于间隙补偿器，其作用是提前消除齿轮侧隙，因为齿轮啮合有侧隙，如果调整轧辊孔型时不考虑齿轮侧隙的影响，两轧辊就会发生错位，导致螺纹不连续。图9示出了安装在分配箱内的间隙补偿器的结构，其由三个齿轮组成，齿轮12与分配箱的输入轴固定连接，该输入轴同时作为输出轴连接万向轴，齿轮11与分配箱的另一输出轴固定连接，该另一输出轴与另一根万向轴固定连接，齿轮10与输入轴铰接，可以输入轴为轴心转动。齿轮11与齿轮12和10都啮合。齿轮10和12之间设置有蝶形弹簧，蝶形弹簧给齿轮10提供力，使齿轮10相对12转动，从而使得在输入轴未转动之前，齿轮10和11的啮合面处于严格啮合的状态，齿轮11和12的啮合面也处于严格啮合的状态，达到提前消除齿轮间隙的效果。以图9为例，齿轮10和11的啮合面与齿轮11和12的啮合面是齿轮11的同一个凹槽的两个齿面，假设该凹槽的中心面与纸面重合，则若传动扭矩的方向是垂直于纸面向里的，齿轮12和11的啮合面是纸面下方的齿面，而齿轮11和10的啮合面是纸面上方的齿面。该间隙补偿器的作业原理是：由蝶形弹簧提供预紧力使三个齿轮两两啮合，无侧隙，旋转扭矩输入后，齿轮12驱动齿轮11转动，将扭矩通过万向轴传递给两个轧辊。间隙补偿器能够使齿轮的啮合部提前严格啮合，保证长期作业无齿轮侧隙，从而保持两个轧辊的相对位置始终不变，轧制出的螺纹不变形，不错齿。

此外，为消除万向轴的花键轴和花键套之间的间隙，在万向轴上也设置有间隙补偿器。万向轴上的间隙补偿器与分配箱内的间隙补偿器的作业原理相同，但结构不同。

本发明在万向轴的花键套的端部设有法兰盘，万向轴上的间隙补偿器为圆环状结构，内环为花键槽，键槽模数和齿数与花键套相同，外环为与花键套端部法兰盘相对应的法兰结构(如图10所示)，该补偿器套在花键轴上并与花键套法兰盘通过斜孔螺栓连接，利用斜孔螺栓给花键套提供扭矩，使得花键套与花键轴始终严格啮合，达到消除传动间隙的目的。

对于成品前轧机K2，不同于常规的椭圆形轧辊孔型，成品前轧机K2的轧辊具有异形孔型，轧制出的轧件为扁式钢，横截面为中间部分较扁、两端突出的形状(如图11所示)。为保证轧制精度，不同尺寸的成品螺纹钢对应不同尺寸的成品前扁式钢。

由于成品前扁式钢必须经导位后送入成品轧机K1才能达到轧制要求，因此设置导向构件。导向构件是指在型钢轧制过程中，安装在轧辊孔型前后帮助轧件按既定方向和状态准确稳定地进入并导出轧辊孔型的装置。导向构件的入口端为直径较大的圆孔，出口端为长圆孔且相应扭转了一定角度，中间部分平滑过渡。在具体实施例中，在成品前轧机K2的出口处设置有导向构件一，在成品轧机K1的入口处设置有导向构件二。作业时，轧件经成品前轧机K2轧制后成为扁式钢，水平进入导向构件一，轴向扭转45°后进入导向构件二，再次轴向扭转45°后竖直进入成品轧机K1中。由此，利用导向构件一和导向构件二，将成品前轧机K2轧制出的扁式钢绕轴向扭转90°后送入成品轧机K1。

成品前轧机K2轧辊的异形孔型的设计考虑了轧件进入成品轧机K1后的横向和纵向流动。具体地，以公称直径为20mm的成品螺纹钢为例，其成品前扁式钢的尺寸为31×13mm，送入成品轧机K1的螺纹轧槽内纵向受压，钢料向横向延展，同时生成螺纹；由于扁式钢的特殊尺寸，使得轧件的横向延展的程度得到控制，保证不产生纵肋，并且，更为重要的是，该成品轧机K1所轧制的是螺距小于6mm，牙高大于1.0mm，螺旋升角小于6°的精细螺纹，如果不能严格满足轧件和轧槽的尺寸对应关系，也就不能控制钢料横向和纵向流动的程度，将出现螺纹轧制不全的次品，甚至无法轧制出有形状的螺纹。

作业流程：

以轧制公称直径D1＝20mm，螺距L＝4mm，牙高H＝1.4mm的非冷加工联接用钢为例，使用钢坯尺寸为150×150×2000mm，初轧温度介于1200-1250℃之间，经7道初轧机连续轧制，得到横截面为四边形(60×60mm)的轧件，再经4道中轧机轧制，中轧温度介于1000-1150℃之间，得到横截面为圆形(35×35mm)的轧件，进入精轧阶段；精轧机共4台，经前两道精轧后轧件被送入成品前轧机K2，经其异形孔型轧制得到成品前扁式钢(13×31mm)，经导向构件导位，成品前扁式钢进入成品轧机K1，终轧温度为850℃以上，成品轧机K1将其轧制为公称直径D1＝20mm，螺距L＝4mm，牙高H＝1.4mm的非冷加工联接用钢，随后冷却、打包入库。在作业过程中，通过调节成品轧机K1的调齿器改变上、下轧辊螺纹轧槽的相对位置，使轧辊形成横肋轧槽在同一螺旋面上形成螺旋线的孔型。通过分配箱内和万向轴上的间隙补偿器消除齿轮间隙，维持轧辊孔型，保证轧制精度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种非冷加工联接用钢，其特征在于：由尺寸为150×150×2000mm的钢坯采用两个轧辊轧制而成两面凸起型的杆体，杆体上的横肋在同一螺旋面上形成螺旋线，杆体的任意位置均能旋以配套螺母，杆体公称直径D1=20mm，螺距L=4mm，牙高H=1.4mm，螺纹升角γ=3.41°，牙型角β＝60°。

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